(57)【要約】【課題】吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を簡単な構成でかつ高精度に測定することが可能な液滴重量測定装置および液滴吐出装置を提供することを目的とする。【解決手段】その表面に親液化処理が施されている電極１１０ａ、１１０ｂと、電極１１０ａ、１１０ｂが両面に形成されている水晶１１０とでＱＣＭセンサ１０６を構成する。電極１１０ａに振動電圧発振部１１１から振動電圧を印加して水晶１１０を振動させ、測定部１１２および演算部１１３は、吐出ヘッド１０３から吐出される液滴が電極１１０ｂに付着する前後での水晶１１０の共振周波数の変化を検出して、当該電極１１０ｂに付着した液滴の重量を測定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定する液滴重量測定装置において、
少なくとも一方に親液化処理が施された一対の電極が両面に形成されている圧電振動子からなる検出手段と、
前記電極に振動電圧を印加して前記圧電振動子を振動させる発振手段と、
前記吐出ヘッドから吐出される液滴が、前記親液化処理が施された電極に付着する前後での前記水晶振動子の共振周波数の変化を検出し、当該検出した圧電振動子の共振周波数の変化に基づいて、当該親液化処理が施された電極に付着した液滴の重量を測定する液滴重量測定手段と、
を備えたことを特徴とする液滴重量測定装置。
【請求項２】
前記電極は、酸化チタン膜が形成されて前記親液化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴重量測定装置。
【請求項３】
前記電極は、光洗浄が行われて前記親液化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴重量測定装置。
【請求項４】
前記電極は、プラズマ洗浄が行われて親液化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴重量測定装置。
【請求項５】
前記電極は、酸またはアルカリ洗浄が行われて親液化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴重量測定装置。
【請求項６】
前記電極は、ＡｕまたはＰｔで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の液滴重量測定装置。
【請求項７】
前記電極は、チオール化合物ＳＸの膜が形成されて前記親液化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴重量測定装置。
【請求項８】
官能基Ｘは、ヒドロキシル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミノ基、アルデヒド基、エポキシ基、イソシアネート基、エーテル結合を含む官能基、およびイオン性の官能基のいずれか１つであることを特徴とする請求項７に記載の液滴重量測定装置。
【請求項９】
前記電極は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕのいずれか１つで構成されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の液滴重量測定装置。
【請求項１０】
前記圧電振動子は水晶振動子であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の液滴重量測定装置。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の液滴重量測定装置を搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項１２】
前記液滴吐出装置は、配線、カラーフィルタ、配向膜、マイクロレンズアレイ、エレクトロルミネセンス材料、および生体物質のうちのいずれか１つのパターン形成を用途とすることを特徴とする請求項１１に記載の液滴吐出装置。
【請求項１３】
前記液滴吐出装置は、インクジェットプリンタであることを特徴とする請求項１１に記載の液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴重量測定装置および液滴吐出装置、特に、吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定可能な液滴重量測定装置およびその液滴重量測定装置を搭載した液滴吐出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、液晶表示装置のカラーフィルタ、配向膜等の成膜に液滴吐出装置が利用されている。また、液滴吐出装置は、これ以外にも工業上の各種の分野で利用されている。液滴吐出装置は、吐出ヘッドと呼ばれる液滴吐出機構を有している。この吐出ヘッドには、規則的に複数のノズルが形成されている。液滴吐出装置では、これらのノズルから吐出材料の液滴を吐出することにより、何等かの製品の構成要素となる基板上に吐出材料からなるパターンの描画を行う。吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定する装置としては、例えば、以下の微小液滴重量装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
同装置は、振動板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動体にヒータを設け、圧電振動体にホットメルトインク（固形材料を溶かして液体にしたインク）が付着しても剥離も蒸発もしない温度に圧電振動体をコントロールした状態で、ホットメルトインクジェットを吹き付ける。ホットメルトインクが付着すると、圧電振動体の電気機械的結合係数が変わり、その付着重量に比例して圧電素子のインピーダンスが変化する。そのインピーダンスの変化量から付着重量を算出する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２４８２５０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、同装置によれば、振動板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動体を使用しているため、圧電振動体の構成が複雑で高コストな構成となる。また、圧電振動体を加熱するヒータを設けて、圧電振動体を温度制御する構成であるので構成が複雑になるとともに制御が複雑となるという問題がある。付言すると、液滴の重量の測定は一瞬で済むものであるため、ヒータや温度制御は不要である。逆に、振動板に与えた熱が圧電素子に伝わることで、熱に弱い圧電素子の場合には測定精度に影響を与えてしまうため、高精度な重量測定を行うことができない。
【０００６】
また、液滴の重量を測定する場合に、液滴はある程度の粘性があるため、圧電振動板上で液滴を薄く広がらせないと液滴全体に圧電振動体の振動が伝わらず、高精度に液滴の重量を測定することができない。さらに、例えば、酸インクを使用した場合には、圧電素子に貼り合わせた振動板が溶けてしまう可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で高精度に、吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定することが可能な液滴重量測定装置およびその液滴重量測定装置を搭載した液滴吐出装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定する液滴重量測定装置において、少なくとも一方に親液化処理が施された一対の電極が両面に形成されている圧電振動子からなる検出手段と、前記電極に振動電圧を印加して前記圧電振動子を振動させる発振手段と、前記吐出ヘッドから吐出される液滴が前記親液化処理が施された電極に付着する前後での前記水晶振動子の共振周波数の変化を検出し、当該検出した圧電振動子の共振周波数の変化に基づいて、当該親液化処理が施された電極に付着した液滴の重量を測定する液滴重量測定手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
検出手段を少なくとも一方に親液化処理が施された一対の電極が両面に形成されている圧電振動子で構成する。圧電振動子に形成された電極に、外部から振動電圧を印加して圧電振動子を振動させる。吐出ヘッドから吐出される液滴が圧電振動子に形成された親液処理が施されている電極に付着する前後で圧電振動子の共振周波数は変化する。この圧電振動子の共振周波数の変化を検出して、当該電極に付着した液滴の重量を測定する。これにより、検出手段の構成を簡単かつ低コストの構成とすることができる。また、液滴が付着される電極に親液化処理を施しているので、液滴がその電極の表面に薄く拡がり、圧電振動子の振動を十分に液滴に伝えることができ、高精度に圧電振動子の共振周波数の変化を検出することができる。この結果、簡単な構成で高精度に吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定することが可能な液滴重量測定装置を提供することができる。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記電極は酸化チタン膜が形成されて前記親液化処理が施されていることが望ましい。これにより、簡単な膜形成工程で電極の表面を親液化させることができる。また、酸化チタンによる効果は、超親水化と光触媒による酸化還元反応である。紫外線（太陽光、蛍光灯など）を照射することで起こる酸化還元反応により酸化チタン膜に付着している有機物を分解できるため、紫外光を照射するだけで、特別な洗浄が不要となる。また、超親水化によるセルフクリーニング機能で、汚れを純水等で簡単に洗い流すことができる。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記電極は、光洗浄が行われて前記親液化処理が施されていることが望ましい。これにより、膜形成等が不要となり、電極の表面を簡単に親液化させることができる。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記電極は、プラズマ洗浄が行われて親液化処理が施されていることが望ましい。これにより、膜形成等が不要となり、電極の表面を簡単に親液化させることができる。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記電極は、酸またはアルカリ洗浄が行われて親液化処理が施されていることが望ましい。これにより、膜形成等が不要となり、電極の表面を簡単に親液化させることができる。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記電極は、ＡｕまたはＰｔで構成されていることが望ましい。これにより、酸またはアルカリ洗浄を好適に行うことができる。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記電極は、チオール化合物ＳＸの膜が形成されて前記親液化処理が施されていることが望ましい。これにより、電極の表面を簡単に親液化することができる。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様によれば、官能基Ｘは、ヒドロキシル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミノ基、アルデヒド基、エポキシ基、イソシアネート基、エーテル結合を含む官能基、およびイオン性の官能基のいずれか１つであることが望ましい。これにより、水系インクや金属インク等の液滴をチオール結合させたチオール化合物の膜に吸着しやすくでき、電極の表面に薄く拡げることができる。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様によれば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕのいずれか１つで構成されていることが望ましい。これにより、チオール化合物の膜を好適に形成することができる。
【００１８】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記圧電振動子は水晶振動子であることが望ましい。これにより、液滴の付着による共振周波数の変化を高精度に検出することができる。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様によれば、上述の液滴重量測定装置を液滴吐出装置に搭載することが望ましい。これにより、液滴吐出装置で吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を高精度に測定することができる。
【００２０】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記液滴吐出装置は、配線、カラーフィルタ、配向膜、マイクロレンズアレイ、エレクトロルミネセンス材料、および生体物質のうちのいずれか１つのパターン形成を用途とすることが望ましい。これにより、本発明の液滴吐出装置を使用して、配線、カラーフィルタ、配向膜、マイクロレンズアレイ、エレクトロルミネセンス材料、および生体物質のうちのいずれか１つのパターン形成を行うことができる。
【００２１】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記液滴吐出装置は、インクジェットプリンタであることが望ましい。これにより、本発明の液滴吐出装置をインクジェットプリンタとして使用することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明にかかる液滴重量測定装置およびその液滴重量測定装置を搭載した液滴吐出装置の好適な実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置を、［液滴吐出装置の全体構成］、［吐出ヘッド］、［ＱＣＭセンサ］、［液滴重量の測定原理］、［液滴重量の測定フロー］の順に説明する。
【００２３】
［液滴吐出装置の全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置１００の全体の概略構成を示す図である。実施の形態１の液滴吐出装置１００は、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ−Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）と呼ばれるセンサを搭載した構成となっている。本実施の形態の液滴吐出装置１００は、主として、制御部１０１と、ヘッドキャリッジ１０２と、吐出ヘッド１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂと、インクタンク１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂと、ステージ１０５と、ＱＣＭセンサ１０６と、計測部１０７と、表示部１０８とを備えて構成されている。
【００２４】
制御部１０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなり、液滴吐出装置１００全体を制御する。具体的には、制御部１０１は、ステージ１０５上に載置された基板等の対象物Ｗに吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂで描画する動作の制御や、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂから吐出される液滴の重量を測定する動作の制御を行う。ヘッドキャリッジ１０２は、制御部１０１の制御に従って、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂを副走査方向（Ｘ軸方向）に搬送する。吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂは、ヘッドキャリッジ１０２に担持されてヘッドキャリッジ１０２とともに移動し、制御部１０１から入力される駆動信号に応じて、そのノズルから液滴を吐出する。
【００２５】
インクタンク１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂは、Ｒ，Ｇ，Ｂのインクが充填されており、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３ＢにＲ，Ｇ，Ｂのインクをそれぞれ供給する。ステージ１０５は、基板等の描画対象物Ｗが載置され、制御部１０１の制御に従って不図示の駆動機構により主走査方向（Ｙ軸方向）に搬送する。ＱＣＭセンサ１０６は、水晶１１０と当該水晶１１０の両面に形成された一対の電極１１０ａ、１１０ｂとで構成されている。このＱＣＭセンサ１０６は、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂから吐出される液滴の重量を測定する場合に使用される。また、ＱＣＭセンサ１０６は着脱可能に設けられており、ＱＣＭセンサ１０６は取り外して清掃が可能になっている。計測部１０７は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに対する液滴の付着前と付着後の水晶１１０の共振周波数の変化を検出して、電極１１０ｂに付着した液滴の重量を測定し、測定結果を制御部１０１に出力する。表示部１０８は、例えば、ＬＣＤモニターからなり、制御部１０１の制御に従って、液滴の重量の測定結果等を表示する。
【００２６】
［吐出ヘッド］
図２は、図１の吐出ヘッド１０３Ｒの詳細な構成を示す図である。吐出ヘッド１０３Ｒは、図２に示す如く、圧力室１２１と、ピエゾ素子１２２と、ノズル１２３とを備えて構成されている。圧力室１２１は、インクタンク１０４Ｒ内と連通し、インクタンク１０４Ｒから供給された赤色インクを一時的に貯える。ピエゾ素子１２２は、周知のように電圧を印加すると、結晶構造が歪んで極めて高速に電気−機械エネルギの変換を行う素子である。ピエゾ素子１２２は、制御部１０１から供給される駆動信号に応じて、圧力室１２１の内面を変形させ、圧力室１２１内の赤色インクを増減圧する。吐出ヘッド１０３Ｒにおいては、このピエゾ素子１２２による赤色インクの増減圧に応じて、ノズル１２３から赤色インクを液滴ＩＰとして吐出する。
【００２７】
吐出ヘッド１０３Ｇは、吐出ヘッド１０３Ｒと同様な構成をしており、制御部１０１から供給される駆動信号に応じて、インクタンク１０４Ｇから供給を受けた緑色インクを液滴として吐出する。同様に吐出ヘッド１０３Ｂも、制御部１０１から供給される駆動信号に応じて、インクタンク１０４Ｂから供給を受けた青色インクを液滴として吐出する。この実施形態においては、説明の便宜上、赤色インク、緑色インクおよび青色インクは、それらの液体としての性質（例えば温度に応じた粘度特性など）が略同一に揃えられており、同一条件下では、同様な流体的挙動を示すものとする。したがって、仮に液滴吐出にかかる条件が全く同一であれば、いずれのインクを用いた場合であっても、同量の液滴にて吐出される。なお、以降の説明においては、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂの各々を特に区別する必要のない場合には、吐出ヘッド１０３と記載し、同様に、インクタンク１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂの各々を特に区別する必要のない場合には、インクタンク１０４と記載する。
【００２８】
図３は、ピエゾ素子１２２に印加する駆動信号の駆動波形を制御することで、吐出する液滴ＩＰの大きさを変更する原理を説明するための図である。同図において、横軸は時刻、縦軸は駆動電圧を示している。同図において、時刻「０」から時刻「Ｔ１」までの期間においては、ピエゾ素子１２２に供給される駆動信号は一定値「ＶＭ」をとり、この際、ピエゾ素子１２２は変形しない。続く、時刻「Ｔ１」から時刻「Ｔ２」まで期間において、駆動信号は、「ＶＭ」から「ＶＨ」まで上昇する。これを受けてピエゾ素子１２２は、圧力室内のインクが減圧されるように変形し、インクタンク１０４から圧力室１２１にインクが流入する。
【００２９】
次に、時刻「Ｔ２」から時刻「Ｔ３」までの間に、駆動信号は、一定値「ＶＨ」をとり、続く、時刻「Ｔ３」から時刻「Ｔ４」までの間において、駆動信号は、「ＶＨ」から「ＶＬ」まで下降する。この駆動信号の下降により、ピエゾ素子１２２は、圧力室１２１内のインクが増圧するように変形し、圧力室内の赤色インクがノズル１２３から連なった状態で吐出する。なお、以降の説明においては、時刻「Ｔ３」から時刻「Ｔ４」までの期間を、電圧下降期間ΔＴと称し、当該電圧下降期間ΔＴにおいて下降する電圧の量「ＶＨ−ＶＬ」を、電圧下降量ΔＶと称することとする。
【００３０】
次いで、時刻「Ｔ４」から時刻「Ｔ５」までの間に、駆動信号は、一定値「ＶＬ」をとり、続く、時刻「Ｔ５」から時刻「Ｔ６」までの間において、駆動信号は、「ＶＬ」から「ＶＭ」まで上昇する。この駆動信号の上昇により、ピエゾ素子１２２は、圧力室内のインクの圧力が減少するように変形し、上述した電圧下降期間ΔＴに一旦吐出されたインクが引き戻され、その一部が液滴ＩＰとして吐出する。
【００３１】
ここで、説明の便宜上、駆動波形における電圧下降期間ΔＴあるいは電圧下降量ΔＶを調整して、液滴量を変更する技術について説明する。まず、電圧下降期間ΔＴを短くすると、溶液の増圧にかかる期間が短縮されて、電圧下降時間ΔＴ内にノズル１２３から吐出するインクの勢いが増し、液滴量を増大することができる。逆に、電圧下降期間ΔＴを長くすると、ノズル１２３から吐出するインクの勢いが低下し、液滴量を減少させることができる。
【００３２】
一方、電圧下降量ΔＶを大きくすると、インクの増圧量が増大されて、電圧下降時間ΔＴ内にノズル１２３から吐出するインクの量が増し、液滴量を増大させることができる。逆に、電圧下降量ΔＶを小さくすると、ノズル１２３から吐出するインク量が減少し、液滴量を減少させることができる。これらの技術は、例えばノズル径などの吐出ヘッド１０３の機械的構成を変更することなく、液滴量を任意に変更させることができるため、１つのノズル１２３から複数の量の液滴を選択的に吐出させる場合などに広く用いられている技術である。
【００３３】
［ＱＣＭセンサ］
図４は、図１のＱＣＭセンサ１０６の構成を示す平面図である。水晶１１０は、略正方形状を呈し、その両面に、一対の電極１１０ａ、１１０ｂが略対向した状態で取り付けられている。なお、酸インク（ＰＥＤＯＴ）を使用する場合には、電極１１０ａ、１１０ｂとしては、Ａｕ電極を使用することが望ましい。これは、酸インク（ＰＥＤＯＴ）を使用した場合、水晶１１０に形成された電極１１０ａ、１１０ｂが剥離して、水晶１１０が溶ける可能性があるため、酸に耐性のあるＡｕ電極を使用するのが望ましいからである。また、絶縁体１３１は、導電性を有する支持体１３３ａ、１３３ｂによって、水晶１１０を振動自在に保持する。支持体１３３ａは、電極１１０ａと導通すると共に、絶縁体１３１に固定された端子１３２ａと導通している。同様に、支持体１３３ｂは、電極１１０ｂと導通すると共に、絶縁体１３１に固定された端子１３２ｂと導通している。また、同図において、ＰＥは電極１１０ｂの略中央位置を示している。
【００３４】
ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂは、付着した液滴が薄く広がるようにその表面に親液化処理が施されている。図５は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに親液化処理による液滴の広がりを説明するための図である。上述したように、ＱＣＭセンサ１０６で液滴の重量を測定する場合には、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに対する液滴の付着前後の水晶１１０の共振周波数の変化を検出している。水晶１１０から液滴ＩＰに伝わる振動の高さは、数μｍ（水晶１１０ｂの厚さの略１％程度）であるため、液滴ＩＰを薄く広げなければ正確な共振周波数を測定することはできない。図５（ａ）は、電極１１０ｂに親液化処理を施していない場合の液滴ＩＰの広がりを示している。図５（ａ）に示すように、電極１１０ｂに親液化処理を施していない場合には、液滴ＩＰは広がらず、水晶１１０の振動が伝わらない測定不能なエリアが存在するため、正確に共振周波数を測定することができない。図５（ｂ）は、電極１１０ｂに親液化処理を施した場合の液滴ＩＰの広がりを示している。図５（ｂ）に示すように、電極１１０ｂに親液化処理を施した場合には、電極１１０ｂ上を液滴が薄く広がるため、液滴ＩＰに水晶１１０の振動が伝わり正確に共振周波数を測定することが可能となる。本実施の形態では、少なくとも電極１１０ｂに親液化処理を施して、電極１１０ｂの表面エネルギーを下げることにより、電極１１０ｂの表面で液滴を均一に拡散（薄く広げる）させる。
【００３５】
図６は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂの親液化処理の方法を説明するための説明図である。まず、酸化チタンＴｉＯ２の分散液１４０が収納されている容器１４１に、ＱＣＭセンサ１０６を所定時間（例えば、略１０分）浸漬させる（図６（ａ）参照）。この後、ＱＣＭセンサ１０６を容器１４１から取り出して自然乾燥させる（図６（ｂ）参照）。これにより、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂの表面に酸化チタンＴｉＯ２の微粒子が吸着して酸化チタン膜１４２が形成される（図６（ｃ）参照）。電極１１０ａ、１１０ｂの表面に酸化チタン膜１４２を形成する場合には、電極１１０ａ、１１０ｂの表面を鏡面加工などの処理を施さないで、ある程度表面粗さを荒くしておいた方が酸化チタンＴｉＯ２が吸着し易く好ましい。また、スパッタリング等で酸化チタン膜を形成することにしても良い。なお、このように、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂの両面に親液化処理を施すことで、どちらの電極も測定に利用することができる。
【００３６】
図７は、水晶１１０の等価回路を示している。水晶１１０は、電気的には、図７に示すように、抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ１およびＣｏと、コイルＬ１とで構成される電気回路と等価である。ここで、Ｃｏは、水晶１１０の両面に設けられた電極１１０ａ、１１０ｂによって生成される容量成分である等価電極容量である。水晶１１０は電気的な固有周波数を有しており、水晶１１０の両側に設けた電極１１０ａ、１１０ｂを電源に接続すると、回路は固有周波数で発振を開始し、水晶１１０も発振周波数と同じ周波数で振動する。発振する周波数は、主に、結晶の成長軸に対して水晶１１０を切り出した角度と、水晶１１０の厚さとによって定まり、また、水晶１１０の振動形態は水晶１１０を切り出した角度によって決定される。ＱＣＭでは、通常、ＡＴカットと呼ばれる所定の角度で切り出された水晶１１０が用いられており、ＡＴカットされた水晶１１０の振動形態は、厚みすべり振動、すなわち水晶１１０の表面と裏面とが、水晶１１０の厚み方向と直角方向に、互いにずれるように振動する形態となる。
【００３７】
水晶１１０は、自身に作用する外力が一定であれば、一定の共振周波数にて振動するが、電極１１０ｂに液滴が付着して外力が変化すると、その変化量に応じて共振周波数が変化するという特性を有している。換言すると、電極１１０ｂに液滴が付着すると、水晶１１０は、その液滴の重量および粘度に応じた共振周波数にて振動するという特性を有している。また、水晶１１０は、電極１１０ｂに液体が付着すると、付着した液体の粘度に応じて、その共振抵抗値が変化するという特性を有している。後述するように、計測部１０７は、これらの水晶１１０の特性を利用して、液滴の重量および粘度を算出する。
【００３８】
［液滴重量の測定原理］
図８は、図１の計測部１０７の概念図を示している。本実施の形態の計測部１０７は外部発振方式を使用している。図８において、計測部１０７では、水晶１１０の一方の電極１１０ａに、発振器１５０で（振動電圧発振部１１１に対応）振動電圧Ｖｉｎを印加して水晶１１０を励起する。ＲＦ電圧形１５１（測定部１１２に対応）は、励起された水晶１１０の他方の電極１１０ｂから流れる電流Ｉｑ＝（Ｖｑ／ＲＬ）を測定する。これにより、印加した振動電圧と水晶１１０を流れる電流の関係からその周波数に対する水晶１１０の電気的なインピーダンスを求めることができる。インピーダンスは、共振周波数付近で大きく変化する。そこで、計測部１０７では、印加する振動電圧の周波数を掃引しながらインピーダンスを測定し、そのインピーダンスが最小となる周波数を求める。この周波数が直列共振周波数（ｆｓ）であり、このときの抵抗成分が共振抵抗となる。
【００３９】
図９は、水晶１１０の共振周波数を測定する場合に使用される帰還型の自励式発振方式（従来方式）の概念図を示している。本実施の形態の外部発振方式を、図９に示す帰還型の自励式発振方式と比較して説明する。図９において、帰還型の自励式発振方式では、水晶１１０を含む発振回路を共振状態としておき、電極に液滴が付着したことによって変化する共振周波数を周波数カウンタ１６０で計測する。そして、測定した共振周波数に基づいて、水晶振動子の電極面に付着した物質の重量を測定する。しかしながら、上述したように、水晶１１０の共振周波数は付着した物質の粘弾性によっても変化する。このため、粘弾性的な特性を併せ持った物質が付着した場合、どちらかの影響によって変化したのか判別することができない。他方、共振抵抗は、主に粘弾性に比例することが知られている。本実施の形態の計測部１０７では、共振周波数と共振抵抗の両者を測定して、その変化が重量に起因するものか、粘弾性に起因するものかを判別している。
【００４０】
図１０は、水晶１１０のアドミッタンス線図を示している。上記図７の等価回路で表される水晶振動子のインピーダンスについて、周波数特性を測定し、これをＸ軸にＧ（コンダクタンス）、Ｙ軸にＢ（サセプタンス）成分を取ったインピーダンス平面上にプロットしたものである。同図に示すように、等価電極容量Ｃｏの影響によって、曲線は、全体がＢ軸上をωＣｏ分ずれてしまう。帰還型の自励式発振方式の共振点は、位相ずれが「０」になる点、すなわち、Ｂ成分が「０」になる点であるので、同図でｆｒで示している。Ｃｏのために共振点は、本来の水晶振動子の共振点であるｆｓ（直列共振周波数）からｆｒ（一般的に共振周波数と言う場合はｆｒを言う）にずれてしまう。
【００４１】
ここで、重量と周波数の比例関係はあくまでもｆｓについて成立する。したがって、ｆｒを基準とした帰還型の自励式発振方式では、重量と周波数の関係に誤差が生じる。具体的には、同図の（ａ）に示すように、負荷が小さくＧが大きいうちは（共振抵抗Ｒが小さいうち）、円の半径が大きいためｆｓとｆｒの値にはあまり差がない。これに対して、同図の（ｂ）に示すように、負荷が増えてＧが極端に小さく（Ｒが大きく）なると、両者はずれで大きくなる。このため、ｆｒを共振周波数として測定する帰還型の自励式発振方式では、負荷が増えるにしたがって直線性が悪化する。これに対して、本実施の形態のような外部発振方式でｆｓを測定する方式では、このような直線性の劣化は生じない。
【００４２】
さらに、負荷が増えて、同図の（ｃ）のようになると、ｆｒ点が消えてしまうため、帰還型の自励発振方式では発振することができなくなる。これに対して、本実施の形態の外部発振方式では、ｆｓを測定するため等価電極容量Ｃｏの影響がない。したがって、この場合でも共振点を見つけ出すことが可能となる。すなわち、本実施の形態の外部発振方式では、帰還型の自励発振方式に比して、重負荷での測定が可能となる。また、帰還型の自励発信方式では、発振の安定と精度の両方を得るためには使用する周波数に応じて発振回路をチューニングする必要がある。このため、同じ発振回路で広範な発振周波数に対応することが困難である。これに対して、本実施の形態の外部発振方式では、水晶１１０を振動させる振動電圧を外部で生成するため、広範な周波数に回路変更なしで対応可能である。
【００４３】
つぎに、図１の計測部１０７を詳細に説明する。振動電圧発振部１１１は、ＱＣＭセンサ１０６の一方の電極１１０ａに振動電圧を印加して、水晶１１０を振動させる。その際、振動電圧の周波数を低周波数から高周波数へと少しずつ変更して周波数の掃引を行う。測定部１１２は、ＱＣＭセンサ１０６の他方の電極１１０ｂから流れる電流Ｉｑ＝（Ｖｑ／ＲＬ）を測定し、印加した振動電圧と水晶１１０を流れる電流の関係からその周波数に対する水晶１１０の電気的なインピーダンスを算出する。そして、測定部１１２は、測定したインピーダンスが最小となる周波数（上述の直列共振周波数ｆｓ）を共振周波数値として算出し、このときのインピーダンスを共振抵抗値として算出する。測定部１１２は、算出した共振周波数値および共振抵抗値を演算部１１３に出力する。この場合、測定部１１２は、電極１１０ｂへの液滴の付着前における共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅと、付着後における共振周波数ｆａｆｔｅｒを演算部１１３に出力する。演算部１１３は、以下のようにして、測定部１１２から入力される共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ、ｆａｆｔｅｒに基づいて、液滴の重量を算出し、また、測定部１１２から入力される共振抵抗に基づいて、液滴の粘度を算出する。
【００４４】
ここで、電極１１０ｂに付着した液滴の重量をＩｍとし、液滴の付着前後における共振周波数の変化量Δｆｒｅｑとすると、液滴の重量Ｉｍと、液滴の付着前後における共振周波数の変化量Δｆｒｅｑの関係は、下式（１）のように表すことができる。
【００４５】
【数１】
2005061866.tif 000003
【００４６】
また、共振抵抗値をＲとし、電極１１０ｂに付着した液滴の粘度をηとすると、これらの関係は、下式（２）で表すことができる。
【００４７】
【数２】
2005061866.tif 000004
【００４８】
演算部１１３は、測定部１１２から供給される電極１１０ｂへの液滴の付着前における共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ、付着後における共振周波数ｆａｆｔｅｒからその変化量Δｆｒｅｑ＝ｆｂｅｆｏｒｅ−ｆａｆｔｅｒを算出した後、変化量Δｆｒｅｑを上記式（１）に代入して、液滴の重量Ｉｍを算出する。また、演算部１１３は、測定部１１２から入力される電極１１０ｂに液滴の付着後の共振抵抗値Ｒを、上記式（２）に代入して、液滴の粘度ηを算出する。演算部１１３は、算出した液滴の粘度ηおよび重量Ｉｍを制御部１０１に出力する。なお、このように、液滴の重量Ｉｍは、共振周波数ｆのみで算出できるが、共振周波数ｆに加えて、共振抵抗Ｒも利用することでより精度良く算出することができる。
【００４９】
［液滴重量の測定フロー］
図１１は、図１の液滴吐出装置１００の液滴重量の測定フローを示す図である。なお、吐出ヘッド１０３は、ＱＣＭセンサ１０６上になく待機位置にあるものとする。図１１において、まず、計測部１０７では、振動電圧発振部１１１は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａに振動電圧を周波数掃引しながら印加する（ステップＳ１）。測定部１１２は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに流れる電流を検出してインピーダンスの変化を検出し、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａに液滴の付着前の共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅを算出して、演算部１１３に出力する（ステップＳ２）。なお、電極１１０ａに液滴の付着前の共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅは、毎回測定しないで予め演算部１１３に記憶しておくことにしても良い。
【００５０】
つぎに、制御部１０１は、吐出ヘッド１０３から吐出された液滴が、水晶１１０の電極１１０ｂの略中央位置（図４の地点ＰＥ参照）に付着するような位置まで、ヘッドキャリッジ１０２により吐出ヘッド１０３を搬送する（ステップＳ３）。ここで、電極１１０ｂの略中央位置としているのは、電極１１０ｂの略中央位置に液滴を付着させた場合、検出精度が向上するためである。
【００５１】
続いて、制御部１０１は、標準駆動波形に従って、吐出ヘッド１０３に含まれるピエゾ素子１２２に駆動信号を供給して、吐出ヘッド１０３から電極１１０ｂのＰＥに向けて液滴を吐出させる（ステップＳ４）。この後、制御部１０１は、ヘッドキャリッジ１０２により吐出ヘッド１０３を待機位置まで搬送する（ステップＳ５）。ここで、吐出ヘッド１０３を待機位置まで搬送しているのは、吐出ヘッド１０３がＱＣＭセンサ１０６の上方にある場合には、吐出ヘッド１０３の浮遊容量や吐出ヘッド１０３による温度変化等の外乱によりＱＣＭセンサ１０６の出力が不安定になるからである。
【００５２】
この後、計測部１０７では、振動電圧発振部１１１は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａに振動電圧を周波数掃引しながら印加する（ステップＳ６）。測定部１１２は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに流れる電流を検出してインピーダンスの変化を検出し、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに液滴の付着後の共振周波数ｆａｆｔｅｒと、そのときの共振抵抗Ｒを算出して、演算部１１３に出力する（ステップＳ７）。
【００５３】
演算部１１３は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ、ｆａｆｔｅｒに基づいて、共振周波数の変化量Δｆｒｅｑ＝ｆｂｅｆｏｒｅ−ｆａｆｔｅｒを算出し、算出したΔｆｒｅｑを上述した式（１）を用いて液滴の重量Ｉｍを算出する（ステップＳ８）。また、演算部１１３は、共振抵抗Ｒに基づいて、上述した式（２）を用いて液滴の粘度η算出する。演算部１１３は、算出した液滴の重量Ｉｍおよび粘度ηを制御部１０１に出力する。制御部１０１は、算出された液滴の重量Ｉｍおよび液滴の粘度ηを表示部１０８に表示する（ステップＳ９）。なお、制御部１０１は、算出した液滴の重量Ｉｍが所定値以下であるか否かを判断し、液滴の重量Ｉｍが所定値以下である場合には、吐出ヘッド１０３のノズル詰まりまたはインクタンク１０４のインクエンドの可能性があると判断して、”ノズル詰まりまたはインクエンド”の可能性がある旨を表示部１０８に表示することにしても良い。制御部１０１は、以上のようにして測定した標準駆動波形の駆動信号で形成された液滴の重量Ｉｍに基づいて、吐出ヘッド１０３で描画対象物Ｗに描画を行う場合に、吐出ヘッド１０３に印加する駆動信号の駆動波形を変更する。測定終了後には、操作者はＱＣＭセンサ１０６を取り外して、電極１１０ｂに付着した液滴を清掃して次の測定に備える。
【００５４】
以上説明したように、実施の形態１にかかる液滴吐出装置１００によれば、ＱＣＭセンサ１０６を、その表面に親液化処理が施されている電極１１０ａ、１１０ｂがその両面に形成されている水晶１１０とで構成する。水晶１１０に形成された電極１１０ａに、外部から振動電圧を印加して水晶１１０を振動させる。吐出ヘッド１０３から吐出される液滴が水晶１１０に形成された電極１１０ｂに付着する前後で水晶１１０の共振周波数は変化する。この水晶１１０の共振周波数の変化を検出して、当該電極１１０ｂに付着した液滴の重量を測定する。これにより、ＱＣＭセンサ１０６の構成を簡単かつ低コストの構成とすることができる。また、液滴が付着される電極１１０ｂに親液化処理を施しているので、液滴が電極１１０ｂの表面に薄く拡がり、水晶１１０の振動を液滴全体に十分に伝えることができ、高精度に水晶１１０の共振周波数の変化を検出することができる。この結果、簡単な構成で高精度に吐出ヘッド１０３から吐出される液滴の重量を測定することが可能な液滴吐出装置を提供することができる。
【００５５】
また、実施の形態１では、電極１１０ａ、１１０ｂとして、酸に耐性のあるＡｕ電極を使用しているので、酸インク（ＰＥＤＯＴ）を使用した場合でも水晶１１０に形成された電極１１０ａ、１１０ｂが剥離するのを防止することができる。また、実施の形態１では、電極１１０ｂの表面に酸化チタン膜を形成して親液化処理を施しているので、簡単な膜形成工程で電極１１０ａ、１１０ｂを親液化させることができる。
【００５６】
本実施の形態１の液滴吐出装置１００は、工業用のインクジェット装置として使用することができ、例えば、配線、カラーフィルタ、配向膜、マイクロレンズアレイ、エレクトロルミネセンス材料、および生体物質等のパターン形成に使用することができる。なお、実施の形態１では、電極１１０ａ、１１０ｂに親液化処理を施すこととしたが、測定に使用するいずれか一方の電極のみに親液化処理を施すことにしても良い。
【００５７】
［変形例１］
実施の形態１にかかる液滴吐出装置１００では、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂに酸化チタン膜を形成して親液化処理を施す。これに対して、変形例１では、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂに対してプラズマ洗浄を施して親液化処理を行う。具体的には、プラズマ洗浄装置等でＱＣＭセンサ１０６の水晶１１０および電極１１０ａ、１１０ｂをプラズマ洗浄し、その表面の有機物を除去して親液化処理を行う。この場合には、電極１１０ａ、１１０ｂの表面は表面粗さを小さくしておいた方が液滴は広がり易くなるため、鏡面加工などを施すことが好ましい。変形例１によれば、電極１１０ａ、１１０ｂをプラズマ洗浄して親液化処理を施しているので、膜形成等が不要となり、電極１１０ａ、１１０ｂの表面を簡単に親液化させることができる。
【００５８】
［変形例２］
変形例２では、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂに対して光洗浄を行って親液化処理を施す。具体的には、エキシマランプ等でＱＣＭセンサ１０６の水晶１１０および電極１１０ａ、１１０ｂに対して、ＵＶ処理を行って光洗浄し、その表面の有機物を除去して親液化処理を行う。電極１１０ａ、１１０ｂの表面は鏡面加工などで表面粗さを小さくしておいた方が液滴は広がり易くなるため好ましい。ここで、ＵＶ処理とは、高エネルギーの紫外線により、雰囲気ガ中または真空中でラジカル（大気中の場合は酸素ラジカル）を生成し、同時に紫外線の光子エネルギーで物質表面（または被処理物表面に付着した物質）の分子や原子間の結合を切断し、親水化処理あるいは酸化揮発させるものである。変形例２によれば、電極１１０ａ、１１０ｂをＵＶ処理して親液化処理を施しているので、膜形成等が不要となり、電極１１０ａ、１１０ｂの表面を簡単に親液化させることができる。
【００５９】
［変形例３］
図１２は、変形例３にかかる液滴吐出装置のＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂの親液化処理を説明するための図である。変形例３では、図１２に示すように、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂの表面に、Ａｕ−チオール結合を利用して、チオール化合物ＳＸの膜を形成する。ここで、官能基Ｘは、ヒドロキシル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミノ基、アルデヒド基、エポキシ基、イソシアネート基、エーテル結合を含む官能基、およびイオン性の官能基等の親水性の官能基である。このように、チオール基のほかに親水性の官能基Ｘを持たせることで、電極１１０ａ、１１０ｂの表面を親液化することができる。変形例３によれば、水系インクや金属インク等の液滴をＡｕ−チオール結合させたチオール化合物の膜に吸着しやすくでき、電極１１０ａ、１１０ｂの表面に薄く拡げることができる。なお、ここでは、電極１１０ａ、１１０ｂをＡｕとした場合を例に挙げて説明したが、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ等のチオールが化学吸着する全ての金属およびその合金を使用することができる。
【００６０】
［変形例４］
変形例４では、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａ、１１０ｂに対して酸またはアルカリ洗浄を行って、その表面の有機物等を除去して親液化処理を施す。この場合、電極１１０ａ、１１０ｂとしては、ＡｕやＰｔ等の耐腐食性のある金属およびその合金を使用することができる。
【００６１】
（実施の形態２）
図１３は、本発明の実施の形態２にかかる液滴吐出装置３００の概略構成を示す図である。実施の形態２にかかる液滴吐出装置３００は、インクジェットプリンタとしたものである。実施の形態２にかかる液滴吐出装置３００は、用紙搬送路３０４の一部にＱＣＭセンサ３０１が設けられており、また、キャリッジ３０２に吐出ヘッドが搭載されている。この吐出ヘッドから吐出される液滴（インク滴）の重量の測定原理は、実施の形態１と同様であるのでその説明は省略する。実施の形態３にかかる液滴吐出装置３００は、印刷用紙上でキャリッジ３０２を往復動させながら微細なインク滴を吐出することによって、印刷用紙上にインクドットを形成して画像を印刷するインクジェットプリンタである。
【００６２】
図１３を参照して、液滴吐出装置３００が用紙に画像を印刷する動作を簡単に説明する。キャリッジ３０２には、インク滴を吐出するための吐出ヘッドが内蔵されている。キャリッジ３０２の上面側に装着されたインクカートリッジ３０８は吐出ヘッドにインクを供給する。印刷用紙は紙送りローラ３０３によってキャリッジ３０２の下側の所定位置に搬送される。印刷用紙が所定位置にセットされると、キャリッジ３０２は印刷用紙上を往復動しながら吐出ヘッドからインク滴を吐出させる。キャリッジ３０２は、図示するように２本のガイドレール３０５に導かれ、駆動ベルト３０６を介してキャリッジモータ３０７によって駆動される。このように、キャリッジ３０２を往復動させる動作は主走査と呼ばれる。
【００６３】
キャリッジ３０２の主走査に同期させて紙送りローラ３０３を駆動し、印刷用紙を主走査方向と直角方向に少しずつ移動させる。このように、主走査方向と交差する方向に、吐出ヘッドと印刷用紙とを相対的に移動させる動作は副走査と呼ばれる。こうして、キャリッジ３０２を主走査させながら印刷用紙を副走査させ、これにあわせてインク滴を適切なタイミングで吐出することで印刷用紙上にインクドットを形成し、これによって画像を印刷している。
【００６４】
このように、本発明の液滴吐出装置は、インクジェットプリンタにも好適に使用することが可能である。なお、インク滴の代わりに試料液体の重量を測定する場合には、インクカートリッジ３０８を取り外して、インクの代わりに試料液体が収納された容器をキャリッジ３０２に装着することにすれば良い。本発明は、上記した実施の形態１および実施の形態２に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置の全体の概略構成を示す図である。
【図２】吐出ヘッドの詳細な構成を示す図である。
【図３】吐出ヘッドから吐出する液滴の大きさを変更する原理を説明するための図である。
【図４】ＱＣＭセンサの構成を示す平面図である。
【図５】ＱＣＭセンサの電極に親液化処理による液滴の広がりを説明するための図である。
【図６】ＱＣＭセンサの電極の親液化処理の方法を説明するための説明図である。
【図７】水晶振動子の等価回路を示す図である。
【図８】計測部の概念図である。
【図９】帰還型の自励発振方式の概念図である。
【図１０】水晶振動子のアドミッタンス線図である。
【図１１】本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置の液滴重量の測定フローを示す図である。
【図１２】変形例３にかかる液滴吐出装置のＱＣＭセンサの電極の親液化処理を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態２にかかる液滴吐出装置の全体の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１００  液滴吐出装置、１０１  制御部、１０２  ヘッドキャリッジ、１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂ  吐出ヘッド、１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂ  インクタンク、１０５  ステージ、１０６  ＱＣＭセンサ、１０７  計測部、１０８  表示部、  １１０  水晶、１１０ａ、１１０ｂ  電極、１１１  振動電圧発振部、１１２  測定部、１１３  演算部、１２１  圧力室、１２２  ピエゾ素子、１２３  ノズル、１３１  絶縁体、１３２ａ、１３２ｂ  支持体、１３３ａ、１３３ｂ  端子、１４０  酸化チタンの分散液、１４１  容器、１４２  酸化チタン膜、３００  液滴吐出装置、３０１  ＱＣＭセンサ、３０２  キャリッジ、３０３紙送りローラ、３０４  用紙搬送路、３０５  ガイドレール、３０６  駆動ベルト、３０７  キャリッジモータ、３０８  インクカートリッジ
【図１】
2005061866.tif 000005
【図２】
2005061866.tif 000006
【図３】
2005061866.tif 000007
【図４】
2005061866.tif 000008
【図５】
2005061866.tif 000009
【図６】
2005061866.tif 000010
【図７】
2005061866.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005061866.tif 000014
【図１１】
2005061866.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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